湿度采集模块 AT98C51 步进电机控制模块 接盘接口模块 显示 模块 图2.1自动灌溉控制器系统基本模块原理框图

2.2 键盘方案选取

方案一:独立式按键。

独立式按键是指直接用一根I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线上的按键的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。

独立式按键接口电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口线浪费较大。故在按键数量不多时，常采用这种按键结构。独立式按键电路如图2.2所示。上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线上有确定的高电平。

图2.2 独立式按键键盘框图

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方案二: 矩阵式键盘

在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图2.3所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口(如P1口)就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键(9键)。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。行列式键盘的缺点是程序设计较复杂些。

因为本设计需要的按键数目较多，为了节省I/O口线资源，选用矩阵式键盘，故采取方案二。

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图2.3 矩阵式键盘框图

2.3 土壤湿度传感器的选取

目前市场上测量土壤湿度方法有中子衰减法、张力计测湿法、介电法速测法。 2.3.1 中子衰减法测量土壤含水量

高速运动的快中子与物质作用能改变方向和产生能量损失,变成慢中子,形成衰减,由于被测物中含水量不同产生的衰减亦不同,主要原因是水中含有氢原子,而中子对氢原子作用的损失远大于对其他原子作用的损失,这样可以通过测定慢中子来测定土壤含水量,也就是通过衰减程度的大小来确定被测物质中含水量的多少,中子土壤水分测

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试仪就是根据这一原理设计而成。

这个方法的优点在于快速准确,但重要的是这种方法如果屏蔽不好,易造成射线泄漏,以致污染环境,危害人体健康,特别难以测量浅层土壤含水量,而浅层土壤含水量与作物生长关系密切,明显随灌溉、降雨、蒸发等的变化而变化,是土壤水分中最为活跃的部分,需要实时监测,这就极大地限制了中子法的进一步推广应用,这种方法在发达国家已被禁止使用。

2.3.2 张力计式土壤水分传感器

张力计式土壤水分传感器是一种广泛成功地用于某些土壤水分测量的传感器。这种仪表有个多孔瓷头,它通过充水的管子与真空表连接,该装置插入土壤的钻孔中,多孔瓷头与土壤紧密帖合,真空表设在地面之上。用张力计来测量土壤含水量有很大的发展,它的优点是:结构及原理都比较简单,可以在线实时测量,而且可以确定水在土壤内的流动方向和渗透深度,但它的缺点也很突出。它的测量范围很大程度上受土质的影响。该方法所测量的是土壤水的吸力,需要依据土壤水分特征曲线来换算成土壤含水量,由于土壤水分能量关系非常复杂,呈非线性,且容易受到许多土壤理化特性的影响,即使对同一块田,这一关系也十分复杂,使得用张力推求土壤含水量时极为困难,不方便,带来较大误差。该方法存在滞后和回环,影响其测量速度。由于以上缺陷的存在极大地限制了该方法的推广应用。 2.3.3 探针式电容湿度传感器

利用土壤的介电特性来测量土壤含水量是一种行之有效的、快速的、简便的、可靠方法。对一定几何结构的电容式水分传感器,其电容量与两极间被测物料的介电常数有正比关系。由于水的介电常数比一般物料的介电常数要大得多,所以当土壤中的水分增加时,其介电常数相应增大,测量时水分传感器给出的电容值也随之上升,根据

图2.4探针式土壤湿度传感器

传感器的电容量与土壤水分之间的对应关系可测出土壤的水分。利用该方法测量湿度

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的应用很多,多为探针式。探针式电容传感器是介电常数传感器中的一种,它可以敏感不同深度土壤的含水量。探针用来感测土壤的水分,其长度和距离根据被测对象的灵敏度优化确定。图2.4为3针电容土壤传感器的基本结构图,中央探针作为驱动电极，2根周部敏感电极连接到一起作为电容的另一极。电容式水分传感器的特点是精度高、量程宽、可测的物料品种多,而且响应速度也较快,可应用于在线监测实现自动化。

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